熱式氣體質量流量測量方法及系統研究

摘 要：在我國的經濟水平不斷提高的同時，在工業過程中自動化水平也在逐漸的提升，在對流量測量方面的要求也愈來愈高，關于流量的測量是一項較為復雜的技術，要對被測的種類以及流動狀況和場合條件等進行結合，并找出適當的測量方法才能夠達到有效的測量。本文主要就熱式氣體質量流量的測量方法以及系統方面的問題進行研究，希望能夠通過此次的研究對實際能夠起到一定的指導作用。

關鍵詞：熱式氣體；流量測量；系統

中圖分類號：TH814 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 18-0000-01

氣體流量測量是在工業過程中最為常見的問題，在測控的領域占有重要的地位，混合氣體的組分變化以及溫度和壓力變化等對于流量的檢測都非常的不利，而采取熱式氣體流量測量的方法能夠有效的達到測量的目的，這一方法是基于熱傳遞原理的直接式質量流量測量的方法，在當前的工業生產過程中有著廣泛的應用。

一、熱式氣體質量流量測量的基本原理分析

在當前的工業生產過程當中對于質量流量應用最為廣泛的是在液體質量流量的范圍內，氣體質量流量的測量主要是通過測取氣體溫度來檢測質量流量，是屬于量熱式。以往對于氣體質量流量的測量都是采取體積流量測量以及密度測試兩者相結合的方式，在一系列的繁瑣計算之后才能夠得到質量值，在密度以及體積兩者的測試過程中會受到諸多因素的影響而發生一些偏差，所以在熱式質量流量的測量的應用上能夠彌補這些缺陷。

在熱式氣體質量流量測量的原理主要是根據熱傳遞的原理，在熱式氣體流量的測量過程中，傳感元件有多種形式的傳熱，其中有強迫對流傳熱以及自然對流傳熱，輻射傳熱以及導熱傳熱。在強迫對流傳熱方面由于傳感元件在測量氣體流動而造成的溫度變化來反映氣體的質量流量的，故此氣體流動的時候會產生強迫對流傳熱對傳感元件換熱影響最大，有著重要的作用[1]。在自然對流傳熱方面氣體從傳感元件的表面通過自然對流換熱，在傳感元件中強迫對流傳熱以及自然對流傳熱兩者是共同存在的，在這一過程中起主要作用的是強迫對流傳熱，在空氣流速低以及靜止的時候自然對流傳熱才能夠有起到作用。在導熱傳熱方面由于對流換熱的存在對于氣流以及支撐件導熱可以忽略，在輻射傳熱方面傳感元件以及流體間溫差<200℃熱輻射比較小，而熱傳導在設計傳感器時已經將傳熱值減到了最低，所以在氣流靜止的時候，空氣的自然對流換熱會達到熱平衡，在氣流流動的時候傳感電阻和氣流換熱會以強迫對流為主要的形式。

二、氣體流量測量當中的問題分析

在氣體流量的技術上比較的復雜，故此在實際的操作過程中就會存在一些問題其中在氣體的體積是壓力以及溫度的函數，會在壓力以及介質溫度的作用下而發生變化，而氣體的質量不會隨著時間以及壓力和溫度的變化而發生變化，在當前的體積質量流量計已經不能滿足實際的需求。

同時在測量的管徑不斷增大的同時，對于壓損也在進一步的增大，這時候就在運行的費用上大大的增加了，還有就是氣體流量的測量動態性還存在一些缺陷，熱式氣體流量計雖然在響應速度上比較高，而在汽車這些應用的領域還有待改進提高[2]。而在測量方法過程中，溫壓補償還需要得到解決改善，在測量的精確度方面需要進一步的提高。

三、熱式氣體質量測量系統的結構設計探究

在熱式氣體質量測量系統方面最為重要的就是傳感器，這也是和熱傳遞原理有著密切的關系，氣體質量流量傳感器的系統結構主要是由檢測桿以及熱膜探頭ST10和二次儀表所構成，如下圖1所示。

在這一系統當中，熱膜探頭是集成的，主要就是測量鉑電阻以及補償鉑電阻串聯組合集成在一片底層厚度為0.15毫米的陶瓷基片上。在溫度在零攝氏度的時候電阻為45歐姆，而在零攝氏度的探頭電阻為1200歐姆，在兩個電阻是通過三根低阻導線所引出的。在傳感器的監測口的確定方面是通過GAMBIT這一軟件來對所研究的傳感器流場進行的=三維建模，在管道的口徑方面為二十五毫米，管中小圓柱體直徑為八毫米，小圓柱體開矩形孔是防止熱膜探頭所用，在矩形寬堵上分別是三毫米、四毫米、五毫米，高度為十毫米[3]。在模型網格劃分之后在GAMBIT當中的邊界條件設置成小圓柱體以及管道壁面，在入口條件的設置上設置成速度入口而出口就設置成壓力出口。

在氣體流量所進行測量的電路主要有氣體流量傳感電路以及同相放大電路和差動放大電路、電流輸出電路等，在熱膜探頭接入傳感器的電路之后把氣體流量的信號轉變成電壓信號，經過差動放大電路以及同相放大電路之后送入MSP430單片機的十二位AD通道，然后再依據采集的電壓信號得出氣體質量流量，在顯示器上進行顯示，在根據用戶的需求來輸出四到二十毫安的電流。在這一方面的系統設計上，對于溫控型的氣體測量系統也要能夠進行改善，從而提高對氣體質量流量的測量精度。

四、結束語

總而言之，對于熱式氣體質量流量的測量方法以及系統的研究在當前的發展中比較的重要，在不同的氣體傳熱系數也會不同，而熱式測量的方法對于不同的氣體質量流量的測量要有實際的氣體標定，通過氣體傳感器對于不同的氣體進行識別，從而有效的實現對于氣體流量的測量。

參考文獻：

[1]趙勇綱，孫保民，劉志強.短管道中平均氣體流速測量系統的原理與應用[J].鍋爐技術，2014（02）.

[2]楊陽，董鳳忠，倪志波.基于光閃爍法的煙氣流速及流量的測量[J].光電子激光，2014（01）.

[3]王銳剛，趙金燕，胡波.置換法氣體流量標準裝置的研究[J].電子設計工程，2014（01）.